CN106588802A - 联（四唑‑2‑氧‑4‑氢）胺及其设计方法和应用 - Google Patents

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谈玲华
杭祖圣
卜小海
李川龙
李恺
李启迪
李秋雅
刘德麟
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    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D257/00—Heterocyclic compounds containing rings having four nitrogen atoms as the only ring hetero atoms
    • C07D257/02—Heterocyclic compounds containing rings having four nitrogen atoms as the only ring hetero atoms not condensed with other rings
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
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Abstract

本发明属于含能材料和量子化学交叉领域，具体涉及一种联（四唑‑2‑氧‑4‑氢）胺及其设计方法和应用。选用1‑氢‑四唑‑3‑氧作为母体化合物，然后将两个1‑氢‑四唑‑3‑氧组合在一起，中间用一个NH桥基相连，再经过结构优化，形成一个平面共轭分子，并通过含能性质计算、热稳定性和感度计算来评价其综合性能。本发明的联（四唑‑2‑氧‑4‑氢）胺，能量高而感度低，可作为黑索金和奥克托今的替代物。

Description

联（四唑-2-氧-4-氢）胺及其设计方法和应用
技术领域
本发明属于含能材料和量子化学交叉领域，具体涉及一种联（四唑-2-氧-4-氢）胺及其设计方法和应用。
背景技术
随着国际竞争的日趋加剧，对含能材料的性能也提出了更高的要求，高能量密度材料应运而生。对于一种理想的有价值的高能量密度化合物，其应同时具备高能量和低感度两个优点。但基于能量和感度的矛盾特性，符合此要求的含能材料很少。
含能材料通常是由含能母体化合物（如四唑和四嗪环）和富含能量的官能团（如硝基、硝氨基和叠氮基）。含能官能团的引入可能会提高爆轰性能，但与此同时会大幅提高母体化合物的感度、降低热稳定性。因此，最好母体化合物本身就具备较高能量，避免引入含能取代基。同时，官能团虽然能够提高含能性质，但是会降低热稳定性和增加感度，因此，官能团的数目不宜多。此外，含能化合物的结构是否是平面的，对其热稳定性和感度也有很大影响，若结构是平面的，共轭效应强，稳定性较好且感度低。总之，在设计含能化合物时要综合考虑母体、官能团和化合物的结构等因素。
发明内容
本发明的目的是提供一种能量水平高而感度低的综合性能优异的新型高能量密度化合物-联（四唑-2-氧-4-氢）胺，作为实验合成的目标物。
本发明的联（四唑-2-氧-4-氢）胺，命名为BTZOA，分子结构式如下：
本发明的联（四唑-2-氧-4-氢）胺是一个不含任何硝基和氨基的平面共轭体系，密度为1.95g/cm，爆速D为9.0km/s，爆压P为37.4GPa，是高能炸药，可作为单质炸药的候选物。
本发明的联（四唑-2-氧-4-氢）胺最弱键的离解能为202.7 kJ/mol，热稳定性优良。
本发明的联（四唑-2-氧-4-氢）胺，其单分子自由空间为41Å3，感度低于黑索金；撞击感度为67cm，是钝感高能炸药，可作为黑索金和奥克托今的替代物。
含能材料的实验合成不仅昂贵和危险，而且对环境和人类有伤害。因此，在实验操作前最好能寻到到合适的目标物。通过理论计算设计并筛选出综合性能优异目标物，有助于降低合成费用和危险性，提高安全性和效率。
本发明还公开了所述联（四唑-2-氧-4-氢）胺的设计方法，包括：
（1）分子设计：首先，选择1-氢-四唑-3-氧作为母体化合物，然后，将两个1-氢-四唑-3-氧组合在一起，中间用一个NH桥基相连；
（2）结构优化：先后借助Chemdraw、Chem3D和GaussView构建模型，再运用高斯软件，采用B3LYP交换关联函数结构6-311+G(d, p)基组优化BTZOA结构，其是一个大的平面共轭分子；
（3）含能性质计算：首先计算BTZOA生成热，再计算其密度，最后运用Kamlet-Jacobs公式计算其爆轰性能；
（4）热稳定性和感度计算：在B3LYP/6-311+G(d, p)水平上计算BTZOA的较弱键的键离解能（BDE），再计算其单分子的自由空间和撞击感度。
附图说明
图1是本发明BTZOA的几何结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施案例对本发明进一步说明。
本发明设计了一种新型高能量密度化合物，联（四唑-2-氧-4-氢）胺，并用密度泛函理论优化了其结构，计算了其生成热、密度、爆热、爆速、爆压、键离解能、单分子自由空间和撞击感度。与黑索金、奥克托今进行对比来评价其其综合性能。具体实施方式如下：
（1）分子设计
首先，选择1-氢-四唑-3-氧作为母体化合物；然后将两个1-氢-四唑-3-氧组合在一起，中间用一个NH桥基相连。体系中不含任何的含能取代基，确保热稳定性优良而感度低。较高的生成热和密度保证了其爆轰性能良好。其分子结构式如下：
（2）结构优化
先后借助Chemdraw、Chem3D和GaussView构建模型，再运用高斯软件，采用B3LYP交换关联函数结构6-311+G(d, p)基组优化BTZOA结构，发现其是一个大的平面共轭分子，参见图1。
（3）含能性质计算
首先计算BTZOA生成热，再计算其密度，最后运用Kamlet-Jacobs公式计算其爆轰性能，并与黑索金的性能进行对比。经计算，其密度为1.95g/cm，高于黑索金（1.81g/cm）；爆速D为9.0km/s，爆压P为37.4GPa，高于黑索金（D=8.7km/s，P=34.5GPa），是高能炸药，可作为单质炸药的候选物。
（4）热稳定性和感度计算
在B3LYP/6-311+G(d, p)水平上计算BTZOA的较弱键的键离解能（BDE），并与黑索金的最弱键的BDE值进行对比，再计算其单分子的自由空间和撞击感度。经计算，其最弱键的离解能为202.7 kJ/mol，高于黑索金（153kJ/mol），热稳定性优良；其单分子自由空间为41Å3，低于黑索金（46Å3），感度低于黑索金；撞击感度为67cm，优于黑索金（26cm），是钝感高能炸药，可作为黑索金的替代物。
（5）综合比较BTZOA和黑索金的密度、含能性质、热稳定性和感度来评价其综合性能，从而评定其是否适合用作实验合成的目标物质。

Claims (6)

1.联（四唑-2-氧-4-氢）胺，其特征在于，将其命名为BTZOA，其分子结构式为：
。
2.根据权利要求1所述的联（四唑-2-氧-4-氢）胺，其特征在于：是一个平面共轭体系。
3.根据权利要求1所述的联（四唑-2-氧-4-氢）胺，其特征在于：其密度为1.95g/cm，爆速D为9.0km/s，爆压P为37.4GPa，最弱键的离解能为202.7 kJ/mol，单分子自由空间为41Å3，撞击感度为67cm。
4.一种权利要求1-3任一项所述联（四唑-2-氧-4-氢）胺的设计方法，其特征在于，包括：
（1）分子设计：首先，选择1-氢-四唑-3-氧作为母体化合物，然后，将两个1-氢-四唑-3-氧组合在一起，中间用一个NH桥基相连；
（2）结构优化：先后借助Chemdraw、Chem3D和GaussView构建模型，再运用高斯软件，采用B3LYP交换关联函数结构6-311+G(d, p)基组优化BTZOA结构，是一个大的平面共轭分子；
（3）含能性质计算：首先计算BTZOA生成热，再计算其密度，最后运用Kamlet-Jacobs公式计算其爆轰性能；
（4）热稳定性和感度计算：在B3LYP/6-311+G(d, p)水平上计算BTZOA的较弱键的键离解能，再计算其单分子的自由空间和撞击感度。
5.一种权利要求1-3任一项所述的联（四唑-2-氧-4-氢）胺作为钝感高能炸药的应用。
6.根据权利要求5所述的联（四唑-2-氧-4-氢）胺的应用，其特征在于，作为黑索金和奥克托今的替代物。
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